بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه ترانسفورماتور وسیله ای لازم و ضروری در دستگاه های انتقال، پخش و توزیع انرژی الکتریکی متناوب است. در این میان افزایش ظرفیت شبکه توزیع به علل افزایش مصرف انرژی الکتریکی امری ضروری است، از این جهت در این مقاله به طراحی و بهینه کردن تلفات مسی - گرمایی - که نقش مهمی در افزایش راندمان ترانسفورماتور توزیع دارد پرداخته ایم. در اینجا ابتدا بصورت دستی، ابعاد و اندازه و همچنین سیم پیچ های ترانسفورماتور 400 KVA سه فاز، ستونی محاسبه شده است،سپس به کمک الگوریتم ژنتیک این مقادیر را بهینه و نتایج را در انتها با مقادیر ابتدایی طراحی مقایسه می کنیم.
طراحی ترانسفورماتور باید بر اساس مشخصات داده شده و با استفاده از مواد در دسترس به منظور دستیابی به هزینه کمتر و کاهش ابعاد، وزن، تلفات، وهمچنین بهبود عملکرد و راندمان انجام گیرد. درپایان با استفاده از روش اجزای المان محدود FEM درنرم افزارCOMSOL مشخصات هر ترانسفورماتور طراحی شده و ناحیه اشباع آن نشان داده شده است.
.1 مقدمه
ترانسفورماتور یکی از وسایل بسیار مهم تبدیل کمیاب جریان و ولتاژ الکتریکی متناوب است ، که بر خلاف ماشین های الکتریکی که انرژی الکتریکی و مکانیکی را بهم تبدیل می کند ، ترانسفورماتور در نوع انرژی تغییری نمی دهد بلکه ولتاژ و جریان را با همان فرکانس جریان متناوب انتقال دهد ، بطوریکه انرژی ولتاژ پائین را تبدیل به همان انرژی بالاتر می نماید و همچنین جریان را از مقدار داده شده در یک مدار به جریانی با اندازه های متفاوت در مدار دیگر تبدیل کند . اساس کار ترانسفورماتورها بر القا الکترو مغناطیسی متقابل بین دو سیم پیچ که بر روی هسته آهنی قرار دارد . مبنا نهاده شده است ، ترانسفورماتورها انواع مختلفی دارند که ما در اینجا ترانسفورماتور های توزیع را مورد بررسی قرار می دهیم.
هسته ترانسفورماتور متشکل از ورقه های نازکی است که سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتورها محاسبه می شود. برای کم کردن تلفات آهنی هسته ترانسفورماتور را نمی توان به طور یکپارچه ساخت. بلکه معمولاً آنها را از ورقه های نازک فلزی که نسبت به یکدیگر عایق هستند، می سازند این ورقه ها از آهن بدون پسماند با آلیاژی از سیلیسیم - حداکثر 4/5 درصد - که دارای قابلیت هدایت الکتریکی و قابلیت هدایت مغناطیسی زیادی است ساخته می شوند .
زیاد بودن مقدار سیلیسیم، باعث شکننده شدن ورق ها می شود. برای عایق کردن ورق های ترانسفورماتور، در گذشته از یک کاغذ نازک مخصوص که در یک سمت این ورقه چسبانده می شد، استفاده می کردند، اما امروز در هنگام ساختن و نورد این ورقه ها یک لایه نازک اکسید فسفات یا سیلیکات به ضخامت 2 تا 20 میکرون به عنوان عایق بر روی آنها مالیده می شود، که باعث پوشاندن روی ورقه ها می گردد. علاوه بر این، از لاک مخصوصی نیز برای عایق کردن یک طرف ورقه ها استفاده می شود. تمامی ورقه های ترانسفور ماتور دارای یک لایه عایق هستند.
در هنگام محاسبه سطح مقطع هسته باید سطح آهن خالص را منظور کرد. ورقه های ترانسفور ماتورها را به ضخامت های 3/5 و 0/5 میلیمتر و در اندازه های استاندارد می سازند. باید دقت کرد که سطح عایق شده ورقه های ترانسفور ماتور همگی در یک جهت باشندمثلاً - همه به طرف بالا - علاوه بر این تا حد امکان نباید در داخل قرقره فضای خالی باقی بماند. لازم به ذکر است ورقه ها با فشار داخل قرقره جای بگیرند تا از ارتعاش و صدا کردن آنها نیز جلوگیری شود.
سیم پیچ ترانسفور ماتورمعمولاً برای سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفور ماتور از هادی های مسی با عایق - روپوش - لاکی استفاده می کنند، که با سطح مقطع گرد و اندازه های استاندارد وجود دارند و با قطر آنها مشخص می شوند. در ترانسفور ماتورهای پرقدرت از هادی های مسی که به صورت تسمه هستند استفاده می شوند و ابعاد این گونه هادی ها نیز استاندارد است.سیم پیچی ترانسفور ماتور به این ترتیب است که سر سیم پیچ ها را به وسیله روکش عایق ها از سوراخ های قرقره خارج می کنند، تا بدین ترتیب سیم ها، قطع - خصوصاً در سیم های نازک و لایه های اول - یا زخمی نشوند، علاوه بر این بهتر است رنگ روکش ها نیز متفاوت باشد تا در ترانسفور ماتورهای دارای چندین سیم پیچ، به راحت بتوان سر هم سیم پیچ را مشخص کرد. بعد از اتمام سیم پیچی یا تعمیر سیم پیچ ها ترانسفور ماتور باید آنها را با ولتاژهای نامی خودشان برای کنترل و کسب اطمینان از سالم بودن عایق بدنه و سیم پیچ های اولیه و ثانویه آزمایش کرد.
یکی از کاربردهای بسیار مهم ترانسفورماتورها کاهش جریان پیش از خطوط انتقال انرژی است.میزان تلفات در یک هادی با مجذور جریان عبوری از هادی رابطه مستقیم دارد،بنابراین با کاهش جریان می توان تلفات را به شدت کاهش داد. با افزایش و-لتاژ در خطوط انتقال به همان نسبت جریان خطوط کاهش می یابد و بدین گونه هزینه های انتقال انرژی نیز بسیار کاهش می یابد. در این مقاله تلفات اهمی به عنوان تابع هدف انتخاب شده است و دارای چندین متغیر است که توسط الگوریتم ژنتیک بهینه سازی می شود.
بهینه سازی در طراحی ترانسفورماتورها، همیشه به عنوان یک موضوع مورد علاقه مورد توجه قرار داشته است.نحوه عملکردترانسفورماتور بدین گونه است که ترانسفورماتور با اعمال انرژی الکتریکی ورودی به سیم پیچی اولیه ترانس و سپس با تبدیل کردن آن به انرژی مغناطیسی در فضای هسته ترانس به سیم پیچ ثانویه این شرایط را فراهم می کند که با توجه به تعداد دورخود، انرژی الکتریکی در سطح ولتاژ مطلوب را از میدان مغناطیسی جاری در هسته دریافت کند .در واقع ترانسفورماتور وسیله ای برای افزایش ولتاژ در نوع افزاینده و یا کاهش ولتاژ در نوع کاهنده است.
باتوجه به نسبت تبدیل ترانس برای تبدیل انرژی بدین صورت است که انتخاب مناسب هسته باعث تبدیل ولتاژ صحیح و کارکرد مناسب ترانس می شود.سیم پیچی های اولیه و ثانویه ترانس باید به گونه ای باشند که با توجه به میزان مشخصی از توان گذرنده از آنها تلفات اهمی دررنج قابل قبولی قرار داشته باشد .درضمن هسته ترانس باید توانایی تحمل چگالی شار مغناطیسی عبوری از خود،ناشی ازسیم پیچی های اولیه را به گونه ای داشته باشد که در هیچ نقطه ای چگالی شار از حد معینی، چگالی شار اشباع، فراتر نرود.
طراحی ترانسفورماتور دارای تعداد زیادی پارامترهای ورودی، خروجی، انواع تابع و یا توابع وابسته و هدف است.با توجه به این پیچیدگی ها که در طراحی ترانسفورماتورها وجود دارد، در طراحی ترانسفورماتور با توجه به میزان توان نامی ترانس، تعداد فاز،نوع اتصال، سطوح ولتاژی اولیه و ثانویه، فرکانس کارکرد، شکل و جنس هسته، نوع و جنس سیم ها و ...یک سری محدودیتها وجود دارند که باتوجه به این محدودیتها یک ساختار نمونه برای ترانسفورماتور پیشنهاد داده می شود .
در همین راستا در مرجع [6] از یک الگوریتم ارزیابی دیفرانسیلی با تابع توزیع احتمال گاما کوتاه شده به منظور طراحی بهینه ترانسفورماتور ارائه شده است .در [7]یک روش برای کاهش تلفات بی باری ترانس و در واقع کاهش تلفات هسته ترانس ارائه شده است .
.2 طراحی ترانسفورماتور
ابتدا ما طراحی هسته ترانسفورماتور را انجام می دهیم و سپس به سراغ طراحی سیم پیچ های اولیه و ثانویه می رویم. در جدول زیر مشخصات ترانسفورماتوری را که می خواهیم طراحی کنیم مشاهده می کنید.
جدول - 1 - مشخصات ترانسفورماتور مورد استفاده
